Halbleitertechnik Gordon Teal: Der Chemiker, der den Transistor aus dem Kristall zog

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Für den Durchbruch des Transistors fehlte zunächst nicht die Idee, sondern das geeignete Material. Gordon Teal entwickelte bei Bell Labs hochreine Germanium-Einkristalle und ebnete damit den Weg zum gewachsenen Sperrschichttransistor. Später führte er bei Texas Instruments den ersten kommerziellen Siliziumtransistor zur Marktreife.

Im Bereich der elektronischen Bauteile und deren wissenschaftlichem Fundament, aber auch praxisnahen Entwicklungen ist häufig auch chemisches Wissen relevant. Deswegen geht es in diesem Artikel um einen gelernten Chemiker, dessen Wissen bei den Grundlagen der Produktion von Halbleitern eine entscheidende Rolle spielte und der an wichtigen Fortschritten für die Entwicklung des Bipolartransistors beteiligt war. Die Rede ist vom US-Amerikaner Gordon Kidd Teal, kurz Gordon Teal, der am 10. Januar 1907 in Dallas (Texas) geboren wurde. Der Name Kidd stammt von seiner Mutter, die Azelia Kidd hieß. Sein Vater war Olin Allison Teal und stammte aus Georgia.

Gordon Teal besuchte die Bryan Street High School in Dallas und beendete seine Schulzeit mit einem Abschluss als Jahrgangsbester im Jahr 1924. An der Baylor Universität im texanischen Waco machte er im Jahr 1927 einen Bachelor in Mathematik und Chemie. In den Folgejahren war er an der Brown University in Providence. Dort erwarb er 1928 einen Master in physikalischer Chemie und promovierte 1931 mit einer Arbeit über Natriumgermanyl und Kaliumgermanyl.

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Denn an der Brown University hatte Gordon Teal begonnen, im Labor mit dem damals für unbrauchbar gehaltenen Element Germanium zu experimentieren. Das Halbmetall sollte später eine zentrale Rolle in der frühen Transistortechnik spielen und wurde zum Material, mit dem Teal einen wichtigen Beitrag zur praktischen Umsetzung des Bipolartransistors leistete.

Germanium weist den Weg zum Transistor

Während der Doktorarbeit war Teal ab 1930 bei den Bell Laboratories angestellt, die damals zu AT&T gehörten, und arbeitete zudem an Röhren, Vakuumtechnik und anderen Bauteilen. Wegen der Wirtschaftskrise, der Großen Depression, die mit einem Börsencrash im Oktober 1929 startete, und der bei den Bell Labs verkürzten Arbeitswoche hatte Teal noch Zeit, an der Columbia University (New York) unter anderem zu schwerem Wasserstoff zu forschen. Der für die Elektrotechnik große Durchbruch in Form seiner Beiträge zum Bipolartransistor war zu diesem Zeitpunkt noch weit entfernt, obgleich seine Forschung rund um Germanium die Voraussetzung für den späteren Durchbruch sein sollte.

Erst die Erfindung des Spitzentransistors durch John Bardeen und Walter Brattain Ende 1947 zeigte Teal, welches Potenzial hochreines, einkristallines Germanium für die Transistortechnik besitzen könnte. Am 1. Oktober 1948 zogen Teal und John B. Little ihre ersten Germanium-Einkristalle. Zusammen mit dem US-amerikanischen Ingenieur und Wissenschaftler Morgan Sparks entwickelte Teal anschließend das Dotierverfahren weiter. Ab April 1950 brachten sie beim Kristallziehen nacheinander unterschiedliche Dotierstoffe in die Schmelze ein. Dadurch entstand innerhalb eines einzelnen Germaniumkristalls eine dünne p-dotierte Schicht zwischen zwei n-dotierten Bereichen – die Grundlage des gewachsenen n-p-n-Sperrschichttransistors.

Die Grundidee zu Sperrschichttransistoren hatte William B. Shockley bereits 1948 formuliert. Für eine zuverlässige praktische Umsetzung fehlte jedoch zunächst ausreichend reines und einheitliches einkristallines Halbleitermaterial. Shockley bezeichnete die Herstellung großer Germanium-Einkristalle durch Teal später als eine der wichtigsten wissenschaftlichen Entwicklungen der frühen Halbleitertechnik.

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Bipolartransistor – Halbleiter als Basis für moderne Elektronik

Bevor wir zum weiteren Leben von Gordon Teal kommen, gehen wir kurz auf den Bipolartransistor ein. Eine ganze Zeit lang war so gut wie immer ein Bipolartransistor gemeint, wenn man allgemein von einem Transistor sprach. Heutzutage haben MOSFETs ihm den Rang abgelaufen. Dennoch zeigt sich die Wichtigkeit der Entwicklungsarbeit von Teal und weiteren Wissenschaftlern wie auch William B. Shockley. Ohne Transistoren wären fast alle modernen technischen Produkte, vor allem Computer und Co., undenkbar.

Ein Bipolartransistor besteht aus drei übereinander liegenden Halbleiterschichten, von denen die mittlere, besonders dünne Schicht entweder n-dotiert oder p-dotiert ist, die beiden äußeren Schichten jeweils das Gegenteil. n bedeutet, dass Elektronen den Mehrheitsträger bilden, bei p sind es vornehmlich Löcher. Man spricht daher auch von npn- oder pnp-Transistoren.

Die mittlere, besonders dünne Schicht bildet die Basis (B), die beiden äußeren Bereiche heißen Emitter (E) und Kollektor (C). Über die Spannung zwischen Basis und Emitter und den daraus resultierenden Basisstrom lässt sich ein deutlich größerer Strom zwischen Kollektor und Emitter steuern. Dadurch kann der Bipolartransistor elektrische Signale verstärken oder als Schalter arbeiten. Fließt nahezu kein Basisstrom, befindet er sich im Sperrbereich: Zwischen Kollektor und Emitter fließt dann lediglich ein sehr kleiner Leckstrom.

Bahnbrechend war bei der Entwicklung der Bipolartransistoren die Forschung von Gordon Teal und seinen Kollegen, wodurch die kontrollierte Einkristallherstellung von für die Produktion von Transistoren geeignetem Material überhaupt ermöglicht wurde. Das Verfahren war eine Modifikation der Herstellung von Germanium-Einkristallen und der Schlüssel dafür, Bipolartransistoren aus einem einzelnen Kristall herzustellen, genauer gesagt einen gewachsenen n-p-n-Sperrschichttransistor.

Bekanntermaßen wurde Germanium weitestgehend durch Silizium ersetzt, welches bei einigen Eigenschaften Vorteile im Vergleich zu Germanium hat. Silizium ist etwa temperaturbeständiger, ist weithin verfügbar und hat geringere Leckströme. Doch erst mit der industriellen Prozessentwicklung kam der Durchbruch für Silizium, schwieriger als Germanium zu reinigen und zu Einkristallen zu ziehen ist. Silizium spielte obendrein eine zentrale Rolle in der kontrollierten Bildung von Siliziumdioxid, das für die Planartechnik und spätere integrierte Schaltungen entscheidend war.

Arbeit bei Texas Instruments und Silizium als neuer Standard

Das Thema Silizium ging übrigens nicht an Gordon Teal vorbei, im Gegenteil: Auch am Übergang vom Germanium- zum Siliziumtransistor war Gordon Teal maßgeblich beteiligt. Es begann im Jahr 1953, als Teal die Bell Laboratories verließ und einen neuen Arbeitgeber fand, und zwar im damals noch relativ kleinen Unternehmen Texas Instruments. Ein Grund für Teals Entscheidung war, dass die Firma in seiner Heimatstadt Dallas saß. Es heißt, dass er Heimweh hatte.

Texas Instruments hatte zudem 1952 eine Lizenz erworben, um Transistoren herzustellen, sodass ein Experte zu diesem Thema wie gerufen kam. Im Labor von Texas Instruments, das Gordon Teal selbst aufbaute, gelang seinem Entwicklungsteam (unter anderem Willis Adcock, Morton Jones, J. W. Thornhill und E. D. Jackson) unter Teals Leitung 1954 die Entwicklung des ersten kommerziell produzierten Silizium-Transistors. Drei Jahre später konnte das Team zudem eine chemische Methode zur Produktion von hochreinem Silizium präsentieren. Die Erkenntnisse im Bereich des Halbleitermaterials Silizium waren die Basis dafür, dass Texas Instruments zu einem Weltkonzern aufstieg.

Gordon Teal wurde 1963 zum International Technical Director ernannt, was ihm vor allem eine Verantwortung für den europäischen Markt einbrachte. Er lebte daher in den nächsten zwei Jahren teilweise in England, Frankreich und Italien. 1965 übernahm er den Direktorposten beim National Bureau of Standards in Gaithersburg (Maryland), und zwar für das dortige Institut für Materialforschung. Im Jahr 1967 kehrte er zu Texas Instruments zurück und wurde Vizepräsident sowie Chefwissenschaftler für Corporate Development. 1972 trat Teal im Alter von 65 Jahren seinen Ruhestand an.

Kinder, Ruhestand und Auszeichnungen

Auf privater Ebene hatte er in der Phase seiner Doktorarbeit, genauer gesagt am 7. März 1931, Lyda Louise Smith geheiratet, für die Gordon Teal ihren Spitznamen Lana verwendete. Die beiden hatten zusammen drei Söhne mit den Vornamen Robert Carroll, Donald Fraser und Stephen O’Banion, die in den Jahren 1937 bis 1941 zur Welt kamen. Am 7. Januar 2003 starb Gordon Teal in seiner Heimatstadt Dallas.

Es gibt unter anderem ein längeres Interview mit Gordon Teal aus dem Jahr 1991, das Andrew Goldstein für das Geschichtszentrum des IEEE mit ihm führte. Das IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) entstand 1963 aus dem Zusammenschluss zweier Vorgängerorganisationen und zählt heute mehr als 486.000 Mitglieder. In dem Interview berichtet Teal außerdem von seinen Tätigkeiten in universitären Beiräten und Kuratorien, unter anderem an der University of Texas sowie den Universitäten Brown und Baylor. Daneben verband ihn und seine Frau ein ausgeprägtes Interesse an Kunst. Teal gehörte unter anderem dem Vorstand des Dallas Museum of Contemporary Art an.

Zum Ende des Interviews betonte Teal, wie wichtig ihm die Arbeit mit so vielen kompetenten Menschen war, auch da er dabei viel darüber gelernt hatte, welche verschiedenen Herangehensweisen Menschen bei ihren Tätigkeiten haben können. Noch zu Lebzeiten erhielt Gordon Teal vom IEEE im Jahr 1968 die Ehrenmedaille sowie 1984 die Centennial Medal. 1967 wurde er mit dem Golden Plate Award der American Academy of Achievement ausgezeichnet. Im Jahr 2013 wurde ein Wohnheim der Baylor Universität in Waco „Gordon Teal Residential College“ benannt. (sb)

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